DE19826265A1 - Verfahren und Bohrlochsonde zur Untersuchung von Böden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, bei dem an wenigstens einer Stelle die Konzentration mindestens eines Stoffes gemessen wird, das sich dadurch auszeichnet, daß ein Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Boden über eine Lichtleitfaser erfolgt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Bohrlochsonde (20) zur Untersuchung einer Konzentration eines Stoffes in einem Boden, mit wenigstens einem Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung, das sich dadurch auszeichnet, daß das Mittel eine Lichtleitfaser (80) aufweist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft außerdem ein Depot zur Aufnahme von potentiell umweltgefährdenden Stoffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, wobei an wenigstens einer Stelle des Bodens die Konzentration mindestens eines Stoffes gemessen wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Bohrlochsonde.

Bei dem Stoff kann es sich sowohl um einen bereits in dem Boden vorhandenen Stoff als auch um einen gezielt eingebrachten Markiererstoff handeln.

Ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, bei dem an wenigstens einer Stelle in den Boden wenigstens ein Markiererstoff eingebracht wird, ist aus einem Aufsatz von M. Schöttler: "Entwicklung eines Einbohrloch-Verfahrens zur Messung horizontaler Grundwasserströmungen" bekannt. In diesem Artikel ist ferner eine Bohrlochsonde zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben. Bei der Bohrlochsonde handelt es sich um eine Meßzelle, die zwei Lichtquellen, ein Linsensystem und eine spezielle Videokamera enthält. Ein Markiererstoff (Tracer) aus einem fluoreszierenden Material wird mittig auf einem mehrere Millimeter großen, fokussierten Beobachtungsbereich suspendierend freigesetzt. Dieser Bereich liegt in der frei durchströmbaren, axialen Mitte des Meßabschnittes. Von den Lichtquellen emittiertes und von dem Markiererstoff wellenlängenverschoben reemittiertes Licht wird von der Videokamera als leuchtender Bildpunkt registriert. Hierdurch entsteht ein kontrastreicher Bildpunkt auf einer videotechnisch erfaßten Bildfläche.

Diese bekannte Bohrlochsonde sowie das Verfahren zu ihrer Durchführung sind insbesondere für den Einsatz in 10 cm (4- Zoll) breiten Bohrlöchern bestimmt.

Bei einer weiteren bekannten Bohrlochsonde der GSF München wird die Bewegung eines radioaktiven Markiererstoffs detektiert. Hierzu ist es jedoch erforderlich, daß geeignete, kurzlebige Isotope in einem Nuklearreaktor hergestellt werden. Diese Herstellung ist verhältnismäßig aufwendig. Außerdem sind die Markiererstoffe aufgrund ihrer Kurzlebigkeit nur sehr eingeschränkt lagerfähig. Es ist allerdings schwierig, die für ihren Einsatz erforderliche Betriebsgenehmigung zu erhalten.

Ferner wurde von der University of California eine Bohrlochsonde entwickelt, bei der ein entnommenes Probenvolumen an eine Geländeoberfläche gepumpt wird. Hierbei handelt es sich dementsprechend um keine In-Situ-Messung.

Von der technischen Universität Freiberg wurde eine Bohrlochsonde entwickelt, die mit Wärmepulsen arbeitet. Hierbei können lediglich hohe Grundwassergeschwindigkeiten ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfache und zweckmäßige Weise ein Verfahren durchzuführen, um einen Boden zu untersuchen, bei dem an wenigstens einer Stelle ein Stoff so angeregt wird, daß er elektromagnetische Strahlung emittiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren so durchgeführt wird, daß ein Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Boden über eine Lichtleitfaser erfolgt.

Es ist besonders zweckmäßig, dieses Verfahren so durchzuführen, daß die elektromagnetische Strahlung Lichtstrahlen enthält.

Eine besonders wirksame Detektion läßt sich dadurch erreichen, daß die Lichtstrahlen Emissionswellenlängen zwischen 200 nm und 950 nm aufweisen.

Es ist ferner besonders zweckmäßig, das Verfahren so durchzuführen, daß der Stoff durch die Lichtstrahlen angeregt wird. Bei dieser Anregung handelt es sich vorzugsweise um eine Lumineszenz-Anregung. Hierbei erfolgt nach einer Energieabsorption durch Atome, Moleküle oder kondensierte Materie eine Emission von elektromagnetischer Strahlung. Während prinzipiell eine Anregung zu einer Phosphoreszenz in Betracht kommt, ist eine Anregung zu einer Fluoreszenz besonders zweckmäßig, weil hierdurch In-Situ-Messungen mit einer hohen zeitlichen Auflösung ermöglicht werden.

Die Erfindung sieht ferner vor, eine Bohrlochsonde zur Untersuchung einer Konzentration eines Stoffes in einem Boden, mit wenigstens einem Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung, so zu gestalten, daß das Mittel eine Lichtleitfaser aufweist.

Besonders geringe Abmessungen der Bohrlochsonde lassen sich dadurch erreichen, daß die Lichtleitfaser sowohl als Mittel zum Einkoppeln als auch zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung dient.

Zur Erfassung von Fließgeschwindigkeiten von nicht- fluoreszierenden Stoffen ist es zweckmäßig, daß die Bohrlochsonde eine in ihrem oberen Bereich angeordnete Zuführungseinrichtung für einen Markiererstoff enthält.

Eine homogene Verteilung des zu messenden Stoffs läßt sich dadurch erreichen, daß die Bohrlochsonde eine Mischeinrichtung enthält.

Es ist besonders zweckmäßig, daß die Lichtstrahlen durch einen Laser erzeugt werden. Hierbei ist es sowohl möglich, daß sich der Laser auf einer Geländeoberfläche befindet, als auch im Bohrloch. Auf diese Weise kann ein verhältnismäßig voluminöser Laser eingesetzt werden, der jedoch ein vorteilhaftes Emissionsverhalten, beispielsweise eine Abdeckung von UV-Bereichen und des sichtbaren Bereichs, aufweist.

Es ist durchaus möglich, einen eher kompakten Laser einzusetzen. Bei einem derartigen kompakten Halbleiterlaser handelt es sich beispielsweise um spezielle pn-Dioden, bei denen der pn-Übergang eine Pumpe für den Laser darstellt. Als aktives (verstärkendes) Material dient ein Halbleiter mit direkter Bandlücke. Der aktive Bereich der Laserdiode ist eine dünne Schicht in unmittelbarer Umgebung der Raumladungszone des pn-Übergangs. Die Laserdiode emittiert kohärente Strahlung mit Linienbreiten in der Größenordnung 0,1 nm und mit einer scharfen Bündelung.

Eine weitere geeignete Lichtquelle für einen Einbau in die Bohrlochsonde ist eine Lumineszenzdiode (LED; Light Emitting Diode). Die Lumineszenzdiode enthält ein Halbleitermaterial mit einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich. In diesen Bereichen vorhandene Überschußladungsträger diffundieren in den jeweils anders dotierten Bereich und rekombinieren dort mit dessen Ladungsträgern. Hierdurch entsteht eine inkohärente elektromagnetische Strahlung mit einer typischen Linienbreite in der Größenordnung von mehreren 10 nm. Die Bandbreite hängt hierbei von der Wahl des Halbleitermaterials und seiner Dotierungen ab.

Für eine möglichst gute Separation zwischen emittiertem Licht und von dem Stoff reemittierten Licht ist es zweckmäßig, daß es sich bei dem Licht um monochromatisches Licht handelt. Eine besonders geringe Bandbreite von vorzugsweise weniger als 10 nm, insbesondere etwa 0,1 nm ist mit dem Vorteil verbunden, daß die spektrale Verteilung möglichst genau ermittelt werden kann. Eine Verschiebung der Wellenlänge zwischen emittiertem und reemittiertem Licht beträgt üblicherweise ungefähr 20 nm bis ca. 100 nm. Ferner ist es zweckmäßig, eine Lichtquelle einzusetzen, welche ein zeitlich variables Emissionsverhalten aufweist. Bei einem derartig zeitlich variablen Emissionsverhalten kann es sich beispielsweise um eine Modulation der Intensität oder der Wellenlänge der emittierten Strahlung handeln. Durch den Einsatz einer CCD-Kamera ist es möglich, ein Abklingverhalten der Anregung zu ermitteln.

Ein Einsatz einer Lichtquelle mit einer zeitlich veränderlichen Emissionswellenlänge ermöglicht es, verschiedene in dem Boden enthaltene Stoffe zu einer Emission anzuregen und sie so voneinander zu separieren, d. h. ihre Konzentration und ihr Strömungsverhalten unabhängig voneinander zu ermitteln.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine In-Situ- Bestimmung einer Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, insbesondere eines Grundwasserstroms.

Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf dieses besonders vorteilhafte Anwendungsgebiet beschränkt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Bohrlochsonde ist es möglich, ein Tiefenprofil einer Konzentration und/oder eine Fließgeschwindigkeit eines Stoffes zu ermitteln.

Hierdurch ist es möglich, Rohstoffe zu detektieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner so robust, daß es sich auch für eine Langzeituntersuchung oder für eine gezielte Überwachung von Konzentrationen und/oder Fließgeschwindigkeiten eignet. So ist es beispielsweise möglich, eine oder mehrere erfindungsgemäße Bohrlochsonden in der Nähe oder in einen ausgewählten Bereich einer Mülldeponie einzubringen und so festzustellen, ob es zu einer Diffusion von Schadstoffen in das Grundwasser kommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Bohrlochsonde eignen sich jedoch auch für andere Einsatzgebiete, in denen in einem begrenzten Bereich Konzentrationen, Konzentrationsänderungen oder Fließgeschwindigkeiten erfaßt werden. Anstelle eines gepulsten Lasers kann auch ein kontinuierlicher Laser eingesetzt werden. Eine typische Pulsdauer eines gepulsten Lasers beträgt etwa 0,5 ns.

Bei der eingesetzten Spektralanalyse wird die Intensität des gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Wellenlänge ermittelt. Besonders zweckmäßig ist es, zusätzlich eine Kalibrierungsmessung an einem System mit bekannten Parametern durchzuführen, um so nicht nur qualitative Veränderungen, sondern über die Intensität des Signals auch quantitative Werte zu ermitteln.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand einer Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt in einer nicht maßstabsgerechten, in horizontaler Richtung gestreckten Darstellung, eine in einem Bohrloch 10 befindliche Bohrlochsonde 20, die zwei Packer 30 und 40 enthält, welche einen Meßbereich 50 nach oben beziehungsweise nach unten abdichten.

Der obere Packer 30 weist Durchlässe für eine Zuführungsleitung 60, eine Ableitungsleitung 70 und eine Lichtleitfaser 80 auf, wobei es sich vorzugsweise um ein Glasfaserkabel handelt. Ferner ist in dem Packer 30 ein Motor 90 angeordnet, der eine in den Meßraum 50 ragende Mischeinrichtung, insbesondere eine Mischspirale 100, antreibt. Selbstverständlich kann die Mischeinrichtung auf beliebige Weise gestaltet sein. So ist es beispielsweise auch möglich, daß eine Durchmischung dadurch erfolgt, daß die Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit eingespritzt und/oder umgepumpt wird.

Die Zuführungsleitung 60 ist mit einem Ventil 110 versehen, durch das ein von einer Pumpe 120 beförderter Markiererstoff in die Meßzelle 50 gelangt. Die Ableitungsleitung 70 ist gleichfalls mit einem Ventil 130 versehen. Sowohl die Pumpe 120 als auch ein Laser 140 mit einer Auswerteschaltung befinden sich oberhalb einer Geländeoberkante 150.

Bei dem Laser 140 handelt es sich in dem hier dargestellten Fall um einen Farbstoff (Dye-Laser) mit einer Emissionswellenlänge zwischen 360 und 990 nm, der durch einen Stickstofflaser mit einer Emissionswellenlänge von 337,1 nm angeregt wird. Zwischen dem Lichtleiter 80 und dem Farbstofflaser ist ein Frequenzvervielfacher (SHG) angeordnet. Bei der SHG-Einheit handelt es sich um eine Einheit mit einem BBO-Kristall, einem Reflektor und zwei Linsen, wobei die SHG-Einheit eine Frequenzverdopplung des Signals des Farbstofflasers bewirkt und eine Ausgangswellenlänge von vorzugsweise 225 nm bis 360 nm aufweist. Anstelle des dargestellten Aufbaus des Lasers 140 kann der Laser 140 auch auf andere Weise gestaltet sein. Weil der Laser verhältnismäßig voluminös ist, ist er mit einem zur Auswertung dienenden Spektrometer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Zu einem Anschluß sowohl des Spektrometers als auch des Lasers ist die Lichtleitfaser 80 in Y-Form gestaltet.

Durch den gewählten Aufbau des Lasersystems ist es möglich, die Anregungswellenlänge zwischen 200 nm und 950 nm zu variieren.

Das Bezugszeichen 140 verweist nicht nur auf den eigentlichen Laser, sondern auch auf das zur Auswertung der enthaltenen Spektralinformation dienende Spektrometer.

Ein Bypass 160 durchdringt die Bohrlochsonde in vertikaler Richtung.

Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung kann das Meßverfahren nach Einbringung der Bohrlochsonde 20 in das beispielsweise 5 cm (2 Zoll) breite Bohrloch wie folgt durchgeführt werden.

Die Bohrlochsonde 20 wird in einer vorgegebenen Aquiferteufe in einem Filterabschnitt des Bohrlochs 10 fixiert. Durch die Packer 30 und 40 wird der dazwischen liegende Bereich des Bohrbrunnens derart isoliert, daß sich ein Meßbereich 50 bildet, der derart isoliert ist, daß er lediglich horizontal durchströmt werden kann.

Über den Bypass 160 durchziehen in dem Bohrloch 10 induzierte Vertikalströmungen die Bohrlochsonde 20, ohne die zu messende horizontale Strömung zu beeinflussen.

Die eigentliche Messung beginnt mit einer Freisetzung des Markiererstoffs, beispielsweise Uranin über das Zuleitungsrohr 60 und das Ventil 110 in den Meßbereich 50. Bei Uranin handelt es sich um einen Farbstoff, der anders als es bei seinem Namen zu erwarten wäre, nicht radioaktiv ist, sondern der vielmehr ein Derivat der Carbonsäure darstellt. Verschiedene Zustände des Uranins treten in Abhängigkeit von dem pH-Wert einer Lösung, in der das Uranin sich befindet, auf. Uranin zeichnet sich dadurch aus, daß es bereits in sehr kleinen Konzentrationen von vorzugsweise ab 0,002 µg/l nachgewiesen werden kann. Die Quantenausbeute und damit die Stärke der Fluoreszenz ist außergewöhnlich hoch. Neben der niedrigen Nachweisgrenze weist Uranin den weiteren Vorteil auf, daß die Kalibrierkurven über 5 Konzentrationsbereiche linear verlaufen. Erst bei sehr hohen Konzentrationen über 10.000 µg/l nimmt die Fluoreszenzintensität wegen Eigenabsorption und wegen einer zurückgehenden Dissoziation ab. Durch die von dem Motor 90 angetriebene Mischspirale 100 wird der Markiererstoff in dem Meßbereich 50 homogen verteilt.

Infolge der den Pegelbrunnen 10 durchziehenden Grundwasserströme wird die Konzentration des Markiererstoffs in dem Meßbereich 50 durch Austrag in die Formation, d. h. in umliegende Bodenbereiche, verringert.

Über den Lichtleiter 80 wird von dem Laser 140 emittiertes Laserlicht in die Meßzelle 50 geleitet. Die emittierten Laserstrahlen werden über den gleichen Lichtleiter 80 von dem Markiererstoff reemittierte Lichtstrahlen zu einer Detektionseinrichtung mit nachgeschalteter Auswerteeinheit geleitet.

Das dargestellte Beispiel bezieht sich auf ein Einbohrloch- Verfahren zur Messung von horizontalen Grundwasserströmungen. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf diesen besonders zweckmäßigen Fall beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, auch die Konzentration von bereits in einem Boden befindlichen fluoreszierenden Stoffen zu ermitteln oder Mehrbohrloch-Messungen durchzuführen.

Ferner ist es möglich, die dargestellte Bohrlochsonde durch die Hinzufügung von weiteren Funktionselementen, insbesondere von Sensoren, zu erweitern. Besonders zweckmäßig ist es, Sensoren für den pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Temperatur oder Konzentration von chemischen Stoffen, insbesondere Konzentration von Sauerstoff, zu ergänzen. Auf diese Weise wird die Bohrlochsonde zu einer Multiparametersonde erweitert.

Die dargestellte Sonde ist insbesondere für den Einsatz in oberen Bereichen des Bodens bestimmt. Durch konstruktive Anpassungen, wie eine geänderte Zufuhr des Markiererstoffs läßt sie sich jedoch auch in größeren Tiefen einsetzen.

Der Begriff Boden ist in einer allgemeinen Form gemeint. Er umfaßt nicht nur Böden im geologische Sinne, sondern alle Teile der Erde, in die eine Bohrlochsonde eingebracht werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner ein Depot zur Aufnahme von potentiell umweltgefährdenden Stoffen. Erfindungsgemäß ist das Depot so gestaltet, daß innerhalb des Depots und/oder in der Umgebung des Depots wenigstens eine erfindungsgemäße Bohrlochsonde angeordnet ist.

Der Begriff Depot ist hier in einer weiten Bedeutung zu verstehen und bezeichnet eine beliebige Ansammlung von Schadstoffen, beispielsweise eine Müllkippe. Der Begriff Depot ist jedoch nicht auf Müllkippen beschränkt, sondern bezieht sich zum Beispiel auch auf andere Bereiche, in denen potentiell umweltgefährdende Stoffe gelagert oder angereichert sind, beispielsweise auch auf Verkehrstrassen.

Bezugszeichenliste

10

Bohrloch

20

Bohrlochsonde

30

Packer

40

Packer

50

Meßbereich

60

Zuführungsleitung

70

Ableitungsleitung

80

Lichtleitfaser

90

Motor

100

Mischspirale

110

Ventil

120

Pumpe

130

Ventil

140

Laser

150

Geländeoberkante

160

Bypass

Claims (12)

1. Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, bei dem an wenigstens einer Stelle die Konzentration mindestens eines Stoffes gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Boden über eine Lichtleitfaser (80) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung Lichtstrahlen enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen Emissionswellenlängen zwischen 200 nm und 950 nm aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stoff durch die Lichtstrahlen angeregt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen durch einen Laser (140) erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stoff als ein Markiererstoff in den Boden eingebracht wird.

7. Bohrlochsonde zur Untersuchung einer Konzentration eines Stoffes in einem Boden mit wenigstens einem Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittel eine Lichtleitfaser (80) aufweist.

8. Bohrlochsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (80) sowohl als Mittel zum Einkoppeln als auch zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung dient.

9. Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß sie eine Mischeinrichtung (100) enthält.

10. Verwendung einer Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Überwachung von Schadstoffen.

11. Verwendung einer Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Detektion von Rohstoffen.

12. Depot zur Aufnahme von potentiell umweltgefährdenden Stoffen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb des Depots und/oder in der Umgebung des Depots wenigstens eine Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 9 angeordnet ist.